項(xiàng)目一溫度的檢測(cè)

1.了解溫度傳感器的測(cè)量原理

2.學(xué)會(huì)利用溫度傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)

3.掌握常用的溫度傳感器的應(yīng)用

4.應(yīng)用溫度傳感器的注意事項(xiàng)目標(biāo)：任務(wù)一鹽浴爐溫度的檢測(cè)任務(wù)提出：

鹽浴加熱爐是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使?fàn)t溫達(dá)到要求的溫度。加熱爐的爐溫在150～1300℃之間，它要跟隨軋機(jī)軋制節(jié)奏的變化來隨時(shí)調(diào)節(jié)，所以能否有效地控制加熱爐的溫度，直接影響鋼坯的質(zhì)量和成本，而對(duì)溫度進(jìn)行精確地測(cè)量是控制的前提。

1、溫

度

與

溫

標(biāo)

溫度是表征物體冷熱的物理量溫標(biāo)：表示或測(cè)量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)稱為溫標(biāo)。常用溫標(biāo):攝氏度(符號(hào)℃)

熱力學(xué)溫標(biāo):開爾文(符號(hào)K)

其他常用:華氏度(符號(hào)°F)換算關(guān)系

t(℃)=T(K)-273.15

華氏度＝32＋攝氏度×1.8

攝氏度＝（華氏度－32）÷1.8二、知識(shí)引入1、認(rèn)識(shí)熱電偶熱電偶傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，測(cè)量時(shí)不需要外加電源，直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電勢(shì)輸出。使用十分方便，常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。它的測(cè)溫范圍很廣，常用的熱電偶測(cè)溫范圍為－50℃～＋1600℃，某些特殊熱電偶最低可測(cè)－270℃，最高可達(dá)＋2800℃。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB2、熱電偶傳感器的測(cè)溫原理

將

兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)AB兩種金屬的自由電子密度分別為nA和nB,且nA>nB.當(dāng)兩種金屬相接觸時(shí),將產(chǎn)生自由電子擴(kuò)散現(xiàn)象.A失去電子多的帶正電,B得到電子帶負(fù)電.A,B之間形成電位差,即接觸電勢(shì).單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)導(dǎo)體中自由電子在高溫端具有較大動(dòng)能,因而向低溫端擴(kuò)散熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)

總電動(dòng)勢(shì)T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論1）電極材料相同，總電勢(shì)為零；2）冷、熱端溫度相同，總電勢(shì)為零；3）電極材料不同，溫度不相同，存在熱電勢(shì)。1、熱電偶如何實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量？2、在距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合下如何用熱電偶實(shí)現(xiàn)測(cè)量？在高溫下如何實(shí)現(xiàn)？1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。3、熱電偶的基本定律2)中間溫度定律測(cè)量端溫度為T,自由端溫度為T0,中間溫度為T’,則T和T0熱電勢(shì)等于T,T’與T’,T0熱電勢(shì)的代數(shù)和.ABcTT0T0ABcT’T0ABTABTEAB(T,T’)EAB(T’,T0)EAB(T,T0)3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律

當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。例：當(dāng)T為100攝氏度，T0為0攝氏度時(shí)，鉻合金—鉑熱電偶的E(100,0)=3.13mv,鋁合金—鉑熱電偶E(100,0)=-1.02，求鉻合金—鋁合金組成的熱電偶的E(100,0)?4、熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料

①鉑銠10—鉑熱電偶（分度號(hào)為S)

②鉑銠30—鉑銠6熱電偶(分度號(hào)為B)。③鎳鉻—康銅熱電偶(分度號(hào)為E)。④鎳鉻—鎳硅熱電偶（分度號(hào)為K)

⑤鉑銠13—鉑熱電偶(分度號(hào)為R)。⑥鐵—康銅熱電偶(分度號(hào)為J)。⑦銅—康銅熱電偶(分度號(hào)為T)。材料測(cè)溫范圍特點(diǎn)應(yīng)用鉑鐒10純鉑0~1000℃準(zhǔn)確性高，成本高精密測(cè)溫、標(biāo)準(zhǔn)銥鐒10純銥0~2100℃科學(xué)研究銥鐒40鉑鐒400~1900℃氧化、中性氣體鎳鐵鎳銅50~500℃<50℃無電勢(shì)火災(zāi)報(bào)警鎳鉻康銅-200~900℃各種場(chǎng)合鎳鉻鎳硅-50~1300℃電勢(shì)大，線性好各種場(chǎng)合、常用銅康銅-200~400℃各種場(chǎng)合鎳鉻金鐵-270~10℃低溫銅金鐵-270~-250℃靈敏度高低溫見書23頁例題:K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí),參考端溫度T0=30℃,測(cè)得熱電勢(shì)E(T,30℃)=28.344mV,求爐溫T.E(T,0℃)=E(T,30℃)+E(30℃,0℃)=28.344+1.203 =29.547mV查表得:T=710℃熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。普通型熱電偶普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）不銹鋼保護(hù)管

鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)1—測(cè)量接點(diǎn)2—鐵膜3—鐵絲4—鎳絲

5—接頭夾具6—鎳膜7—襯架5、熱電偶冷端補(bǔ)償

(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線

熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意:①兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的溫度;②各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用；

③必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；

④極性切勿接反。補(bǔ)償導(dǎo)線外形A’B’屏蔽層保護(hù)層(2)參考端0℃恒溫法將熱電偶的冷端置于冰水混合物中，也稱冰浴法(3)參考端溫度修正法

熱電勢(shì)修正法法

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)某一水池內(nèi)水的溫度，測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)為2.436mV。再用溫度計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度為30℃（且恒定），求池水的真實(shí)溫度。

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào),來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。

(4)

電橋補(bǔ)償法1.測(cè)量某一點(diǎn)溫度6、熱電偶實(shí)用測(cè)溫線路A‘,B’為補(bǔ)償延伸導(dǎo)線，與導(dǎo)體A,B具有相近的熱電特性;C為銅接頭，保證兩連接點(diǎn)溫度相等;T'0為新的冷端，要求等溫且恒定。2.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差

兩熱電偶型號(hào)相同，延伸導(dǎo)線相同，兩熱電偶反相串聯(lián)，此時(shí)測(cè)溫回路總電勢(shì)等于兩熱電偶電勢(shì)之差，且要求熱電偶新的冷端T1等溫且恒定，或測(cè)試儀表本身帶有補(bǔ)償裝置，或軟件修正。即注意：用這種差動(dòng)電路測(cè)量溫差時(shí)，兩支熱電偶的熱電特性必須相同且成線性，否則會(huì)引起測(cè)量誤差。

3.測(cè)量多點(diǎn)溫度的平均值

采用多個(gè)熱電偶相串聯(lián)測(cè)多點(diǎn)溫度平均值的方法，此時(shí)儀表指示多個(gè)熱電偶電勢(shì)之和，即E=(E1+E2+E3)/3。

總結(jié)：熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。練習(xí)題

已知某K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)試，如圖所示，試求測(cè)試端溫度T？2、用鎳鉻—鎳硅熱電偶(K)測(cè)量某一實(shí)際為1000℃的對(duì)象溫度。所配用儀表在溫度為20℃的控制室里，設(shè)熱電偶冷端溫度為50℃。當(dāng)熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線或普通銅導(dǎo)線連接時(shí)，測(cè)得溫度各為多少?又與實(shí)際溫度相差多少?把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固可靠防爆

雙金屬溫度傳感器A<b溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗

上層金屬片的熱膨脹系數(shù)大于下層的金屬片。日光燈的啟動(dòng)器

去掉外殼，在充有氖氣的玻璃泡內(nèi)，可以看到一個(gè)U形的雙金屬片(動(dòng)觸片)，其旁邊有一根直立的金屬絲(靜觸片)。常溫下兩觸片處于分離，敲碎玻璃泡，用火焰靠近雙金屬片，其形狀發(fā)生變化，并與直立的金屬絲接觸；移走火焰，雙金屬片恢復(fù)原狀，兩者分開?！喈?dāng)于一個(gè)由溫度控制通斷的開關(guān)半導(dǎo)體集成溫度傳感器IC總線數(shù)字溫度傳感器

集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,它只能用來測(cè)150℃以下的溫度。

一、溫敏二極管及其應(yīng)用

半導(dǎo)體溫敏器件可分為電阻型和PN結(jié)型兩大類.PN結(jié)型溫敏器件，它是根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有良好的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。由PN結(jié)理論，可求得PN結(jié)電壓、電流及溫度的函數(shù)關(guān)系為式中U—PN結(jié)正向電壓;I—PN結(jié)正向電流;IS—PN結(jié)反向飽和電流;q—電子電荷量;k—波爾茲曼常數(shù);T—絕對(duì)溫度;Ug—溫度為0K時(shí)材料的禁帶寬度;B—與溫度無關(guān)的實(shí)驗(yàn)常數(shù);Tr—與溫度有關(guān)的函數(shù)項(xiàng)，r是與熱激發(fā)所引起的電子的遷移率有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)正向電流I一定時(shí)，PN結(jié)正向電壓U與被測(cè)溫度T之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系；且隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現(xiàn)出負(fù)的溫度系數(shù)，這就是溫敏二極管測(cè)溫的基本原理

典型應(yīng)用：

溫敏二極管工作時(shí)存在著自熱特性，即流過溫敏二極管上的正向電流I

導(dǎo)致溫敏二極管PN結(jié)溫度升高。當(dāng)自熱結(jié)溫超過環(huán)境被測(cè)溫度時(shí)，將引起溫控誤差甚至失控，因而對(duì)溫敏二極管的正向電流必須加以限制。二、溫敏晶體管及其應(yīng)用實(shí)際上溫敏二極管電壓—溫度特性的線性度是很差的，原因是正向電流中除了PN結(jié)的擴(kuò)散電流之外，還應(yīng)包括漂移電流及空間電荷區(qū)的復(fù)合電流，而在上述分析中只考慮擴(kuò)散電流。由于晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置條件下，雖然發(fā)射極電流也包括上述三種成份，但只有擴(kuò)散電流到達(dá)集電極形成集電極電流，而另兩個(gè)電流成分則作為基極電流漏掉，對(duì)集電極電流無影響，使得發(fā)射結(jié)偏壓與集電極電流之間有較好的線性關(guān)系，并因此能表現(xiàn)出更好的電壓—溫度特性。1．工作原理

根據(jù)晶體管發(fā)射結(jié)的有關(guān)理論可以求得NPN管發(fā)射結(jié)偏壓Ube與集電流電流Ic、溫度T三者之間的關(guān)系為集電極電流Ic是與溫度基本無關(guān)的多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流，因而當(dāng)IC恒定時(shí)，UBE與T呈單調(diào)和單值變化。且UBE隨T的升高而近似線性下降，其下降幅度約為2.2mv/℃。

2.典型應(yīng)用

集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏晶體管及外圍電路集成在同一單片上的集成化溫度傳感器。優(yōu)點(diǎn)是在于小型化、使用方便和成本低廉。商品化的集成溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于需要溫度監(jiān)測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)脑S多場(chǎng)合。適合于溫度為-50—150攝氏度。

分類：1.電壓型：直接輸出電壓，且輸出阻抗低，易于讀出或控制電路接口電壓型溫度系數(shù)為10MV/攝氏度。2.電流型：電流輸出型輸出阻抗極高，因此可以簡(jiǎn)單地使用雙股絞線進(jìn)行數(shù)百米遠(yuǎn)的精密溫度遙感或遙測(cè)，而不必考慮長(zhǎng)饋線上引起的信號(hào)損失和噪聲問題。也可以用于多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中，而不必考慮開關(guān)或多路轉(zhuǎn)換開關(guān)或多路轉(zhuǎn)換器引入的接觸電阻造成的誤差。頻率輸出型具有與電流輸出型相似的特點(diǎn),電流型溫度系數(shù)為1UA/攝氏度。

這就很容易從它們輸出信號(hào)的大小換算成絕對(duì)溫度，而且其輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成線性關(guān)系?；竟ぷ髟?/p>

對(duì)管差分電路

圖中V1和V2是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管，分別工作于不同集電極電流IC1和IC2下。Ube2+ΔUbe－Ube1＝0，即可求得兩管基極—發(fā)射極電壓之差為AD590集成溫度傳感器(a)外形；

(b)電路符號(hào)；

(c)內(nèi)部原理框圖

電流型的集成溫度傳感器AD590的主特性參數(shù)如下：

工作電壓：4～30V；

工作溫度：－50～＋150℃；

焊接溫度（10秒）：300℃；

靈敏度：1μA／K。

AD590在25℃（298.2K）時(shí),理想輸出電流為298.2μA,但實(shí)際上存在一定誤差,可以在外電路中進(jìn)行修正。將AD590串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻,在已知溫度下調(diào)整電阻值,使輸出電壓UT滿足1mV/k的關(guān)系（如25℃時(shí),UT應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后,固定可調(diào)電阻,即可由輸出電壓VT讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路AD590具有恒流特性，與一個(gè)恒值電阻串聯(lián)就可實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)LM35/45系列溫度傳感器(a)內(nèi)部原理框圖;(b)引腳功能;(c)外形封裝;(d)攝氏溫度計(jì)電路

電壓輸出型溫度傳感器

1）LM35/45系列溫度傳感器具有控制功能的集成溫度傳感器（TC620/621）

TC620/621系列是控制溫度的專用集成傳感器，它可由使用者自行設(shè)定上、下限溫度。當(dāng)高于上限溫度或低于下限溫度時(shí)，該傳感器即有相應(yīng)的高低電平輸出，用來作報(bào)警信號(hào)。另外，它還有一個(gè)溫度控制信號(hào)輸出。因此，它特別適宜用在恒溫器、烘箱及各種溫度控制設(shè)備上，溫度控制精度可達(dá)±3℃。

TC620集成電路管腳排列

表9-11TC620/621系列封裝形式和工作溫度范圍

智能傳感器構(gòu)成的溫控器DS18B20集成溫度傳感器DS18B20、DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55°C+125°C，在-10-85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為±2°C。

組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

思考練習(xí)題1、溫度常用的單位有（）、（）、（）。2、熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)主要有（）和（）。3、常見的金屬熱電阻主要有（）和（）。4、熱電偶的冷端補(bǔ)償辦法主要有（）、（）、（）。5、補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是（）。6、半導(dǎo)體熱敏電阻主要分為（）

8、對(duì)于N型半導(dǎo)體材料的氣敏傳感器，隨著氣體濃度的增加，引起阻值的變化（）。9、氣敏傳感器上加熱器的作用（）。10、半導(dǎo)體陶瓷負(fù)特性濕敏傳感器測(cè)試機(jī)理，隨著濕度的增加，電阻值（）。11．什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測(cè)溫原理。12．試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)的原因。13．已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t＝800℃，冷端溫度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?

《傳感器》階段測(cè)試一：填空題1、傳感器是能夠感受規(guī)定

并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成

器件或裝置。2、傳感器由

、

、

與

和其他輔助元件組成。3、傳感器的靜態(tài)特性有

、

、

、

和

等。4、我國(guó)電工儀表等級(jí)分為7級(jí)，即

、

、

、

、

、

和

級(jí)。5、常用的電阻應(yīng)變片分為兩大類：

和

。6、常見的變換壓力的彈性敏感元件主要有、、、

。7、電阻應(yīng)變片在實(shí)際應(yīng)用中，常用的兩種